CN102868293A

CN102868293A - 固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制方法及装置

Info

Publication number: CN102868293A
Application number: CN2012103305604A
Authority: CN
Inventors: 包伯成; 张希; 马正华; 冯霏
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开一种开关电源的固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制方法及装置，电压检测装置将检测到的电压反馈到误差放大器，与基准电压产生误差放大信号；电流采样电路将采样到的电流信号反馈到反相器，反相后得到斜坡补偿电压进入比较器，与误差放大信号进行比较，经比较后，比较器的输出用于触发RS触发器；当误差放大信号大于斜坡补偿电压时，RS触发器的一个输出经驱动电路使开关装置关断，另一个输出使关断定时器开始工作；当关断恒定时间后，RS触发器的一个输出经驱动电路使开关装置导通，另一个输出使关断定时器停止工作；本发明消除输出电压相位滞后电感电流相位对固定关断时间控制稳定性的影响，有效降低输出电压纹波。

Description

固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种开关电源的控制方法，具体是固定关断时间控制电源的功率变换器的控制方法及装置。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源相对于传统线性稳压电源具有效率高、体积小等方面的优势，电力电子器件的飞速发展更是给开关电源提供了一个很大的发展空间，使其朝着体积小，重量轻，效率高，功率密度大等方向发展。开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成。功率变换器又称为功率电路，主要包括开关装置、变压器装置和整流滤波电路。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器（降压变换器）、Boost变换器（升压变换器）、Buck-Boost变换器（升降压变换器）、正激变换器、反激变换器等。控制器能够检测功率变换电路输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制功率变换电路开关装置的工作状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关电源输出。控制器的结构和工作原理由开关电源所采用的控制方法决定。对于同一功率电路拓扑，采用不同的控制方法会对***的稳态精度、动态性能及稳定性等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。开关电源的固定关断时间(FOT)控制，因其良好的瞬态响应和简单的控制电路结构而在工业生产中得到了广泛的应用。然而，功率变换器的输出电容等效串联电阻(ESR)对固定关断时间(FOT)控制的稳定性有着很大的影响。

开关电源的固定关断时间控制技术是一种开关频率可变的开关电源调制方法，也是一种基于输出电压纹波的控制方法。其控制思想是：利用比较器将输出电压与基准电压进行比较，比较器的输出用于触发RS触发器，从而产生导通时间可变，关断时间恒定的频率可变脉冲调制信号，以控制开关装置的导通和关断，使输出电压达到期望值。一般情况下，为了提高开关电源的工作寿命，输出滤波电容常采用非铝制电解电容，例如陶瓷电容等，其等效串联电阻值较小，无法克服由于输出电压纹波相位滞后电感电流相位造成***无法稳定工作的问题。另一方面，在输出电容的等效串联电阻小时，***出现降频现象，将会产生大的电感电流纹波和输出电压纹波，因而在很大程度上限制了控制电路的集成和推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源的固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制装置及其控制方法，通过引入一个合适的斜坡补偿电压，提高了开关电源固定关断时间控制的稳定性。

本发明的固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制装置采用的技术方案是：包括连接输入的开关装置、连接开关装置的滤波装置、连接滤波装置的电流采样电路、连接输出的电压检测装置，电压检测装置和基准电压分别连接误差放大器的两个输入端，误差放大器的输出端连接比较器一个输入端，电流采样电路经反相器后连接比较器另一个输入端，比较器的输出端连接RS触发器的一个输入端，RS触发器另一个输入端与关断定时器连接，RS触发器的两个输出端分别连接关断定时器和驱动电路，驱动电路的输出端连接开关装置。

本发明的固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制装置的控制方法的技术方案采用如下步骤：

步骤1：电压检测装置将检测到的电压反馈到误差放大器，与基准电压产生误差放大信号；

步骤2：电流采样电路将采样到的电流信号反馈到反相器，反相后得到斜坡补偿电压进入比较器，与所述误差放大信号进行比较，经比较后，比较器的输出用于触发RS触发器；

步骤3：当所述误差放大信号大于所述斜坡补偿电压时，RS触发器的一个输出经驱动电路使开关装置关断，同时，RS触发器的另一个输出使关断定时器开始工作；

步骤4：当关断恒定时间后，关断定时器产生一个脉冲，使RS触发器复位，RS触发器的一个输出经驱动电路使开关装置导通，同时，RS触发器的另一个输出使关断定时器停止工作；

步骤5：当所述误差放大信号上升到所述斜坡补偿电压时，进入下一个脉冲控制周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与固定关断时间控制相比较，采用本发明降低了固定关断时间控制开关变换器对输出电容等效串联电阻的要求，消除了输出电压相位滞后电感电流相位对固定关断时间控制稳定性的影响，提高了开关电源固定关断时间控制的稳定性。

2、控制器对电感电流信号进行了采样，实现了电感电流的逐周期控制和过流保护。

3、在保证***稳定工作的情况下，本发明可以有效降低恒定关断时间控制开关变换器的输出电压纹波。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明装置结构框图。

图2为本发明装置的实施例的电路结构示意图。

图3为本发明实施例的输出电压和基准电压的误差放大信号与驱动信号对应关系示意图。

图4为本发明实施例的开关变换器的时域仿真波形图；其中，图4(a)为变换器输出电压时域仿真波形；图4(b)为控制器输出的驱动信号时域仿真波形。

图5为本发明实施例和固定关断时间控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时输出电压时域仿真波形图；其中，图5 (a)为固定关断时间控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的输出电压时域仿真波形；图5 (b)为本发明实施例的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的输出电压时域仿真波形。

图6为本发明实施例和固定关断时间控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时电感电流时域仿真波形图；其中，图6 (a)为固定关断时间控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的电感电流时域仿真波形；图6 (b)为本发明实施例的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的电感电流时域仿真波形。

图7为相同稳定情况下，本发明实施例和固定关断时间控制的开关变换器的输出电压时域仿真波形图；其中，图7(a)为固定关断时间控制的开关变换器稳定工作时的输出电压时域仿真波形；图7 (b)为本发明实施例的开关变换器稳定工作时的输出电压时域仿真波形。

具体实施方式

本发明在固定关断时间控制基础上，引入经反相的电感电流信号作为固定关断时间控制的补偿斜坡电压，根据输出电压和基准电压的误差放大信号与反相电感电流信号的比较情况，用于触发RS触发器，产生脉冲控制信号，控制器控制主电路开关装置的导通与关断。导通时间根据比较情况可变，关断时间为恒定值仍由关断定时器决定，脉冲控制信号通过驱动电路13控制主电路工作，从而实现固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿混沌控制。具体是：

如图1所示，开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成，虚线框之外为功率变换器部分，功率变换器部分包括：输入1、开关装置2、滤波装置3和输出4；连接关系是：输入1连接到开关装置2，经过开关装置2后传输到滤波装置3，经过滤波装置3的作用后进入输出4。虚线框之内为控制器，控制器包括：电压检测装置5、基准电压6、误差放大器7、电流采样电路8、反相器9、比较器10、RS触发器11、关断定时器12和驱动电路13；连接关系是：连接在输出4上的电压检测装置5和基准电压6分别连接误差放大器7的两个输入端，连接在滤波装置3上的电流采样电路8，经反相器9后，与误差放大器7的输出端分别连接比较器10的两个输入端，比较器10的输出端连接RS触发器11的一个输入端， RS触发器11另一个输入端与关断定时器12连接，关断定时器12控制RS触发器的低电平持续时间，即开关装置的关断时间；RS触发器11的两个输出端分别连接关断定时器12和驱动电路13，其中一个输出用于驱动关断定时器12，另一个输出经驱动电路13后，用于控制开关装置2的导通与关断。

本发明装置的实施例的结构图如图2所示，对比图2和图1，图2和图1中各器件之间的对应关系分别为：输入电压E对应输入1，S(MOSFET)和二极管D对应开关装置2，电感L、电容C和寄生电阻r对应滤波装置3，负载R对应输出4，电压采样电路对应电压检测装置5，参考电压V_ref对应基准电压6。

图2中具体的连接情况为：输入电压E的正极与开关S(MOSFET)的漏极相接，负极与二极管D的阳极、等效串联电阻r的一端和负载R的一端(输出负极)相接；开关S(MOSFET)的源极与二极管D的阴极和电感L的一端相接，电感L的另一端与电容C的一端和负载R的一端(输出正极)相接，电容C的另一端与等效串联电阻r相接。电压采样电路的输入端与负载R的一端（输出正极）相接，其输出端与误差放大器7的正相输入端相接；参考电压V_ref与误差放大器7的反相输入端相接；误差放大器7的输出端与比较器10的反相输入端相接；电流采样电路8的输入端与二极管D的阳极相接，电流采样电路8的输出端与反相器9的输入端相接，反相器9的输出端与比较器10的正相输入端相接；比较器10输出端与RS触发器11的S端相接；RS触发器11的R端和Q端分别与关断定时器12的输出端和输入端相接，其

Figure 2012103305604100002DEST_PATH_IMAGE001

端与驱动电路13的输入端相接；驱动电路13的输出端与开关S(MOSFET)的栅极相接。

控制方法的实现如下：电压检测装置5将检测到的电压反馈到误差放大器7，与基准电压6产生误差放大信号。电流采样电路8将采样到的电流信号反馈到反相器9，反相后得到斜坡补偿电压进入比较器10，与误差放大信号进行比较。经比较后，比较器10的输出用于触发RS触发器11，当误差放大信号大于斜坡补偿电压时，RS触发器11置位，它的一个输出经驱动电路13使开关装置2关断，变换器的储能元件开始释放能量，同时，另一个输出使关断定时器12开始工作。当关断恒定时间后，关断定时器12产生一个脉冲，使RS触发器11复位，RS触发器11驱动脉冲信号，RS触发器11的一个输出经驱动电路13使开关装置2导通，输入1向变换器供能，同时，另一个输出使关断定时器12停止工作。当误差放大信号上升到斜坡补偿电压时，进入下一个脉冲控制周期。由此，控制器控制功率电路输出稳定的电压。

图2、图3示出了固定关断时间控制开关变换器斜坡补偿混沌控制技术在Buck变换器中的应用。

具体的工作过程与原理为：在采样时刻，由电压采样电路将采样到的输出电压与基准电压误差放大产生误差放大信号。同时，电流采样电路采样到电流信号，经反相器反相后得到斜坡补偿电压，通过比较器与误差放大信号进行比较。当误差放大信号大于斜坡补偿电压时，比较器输出高电平， RS触发器被触发，其

端输出低电平使开关器关断恒定时间；反之，比较器输出低电平触发RS触发器，使其

端输出高电平，使开关器导通，从而使开关变换器稳定工作。通过引入电流信号作为斜坡补偿电压，提高了固定关断时间控制的稳定性。

仿真结果分析：

图4为采用PSIM仿真软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图4中分图(a)、(b)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电压(V)，(b)的纵轴为驱动信号幅值(V)。从图4可以看出，变换器工作稳定，输出电压纹波小。仿真条件：输入电压V_in=15V，基准电压V_ref=5V，放大比例K=2，电感L=200uH，电容C=100uF，等效串联电阻r=80mΩ，电流采样增益G=-0.06，负载R=5Ω，恒定关断时间为20us。

图5为固定关断时间控制和本发明的开关变换器在输出电容等效串联电阻为r=70mΩ时，输出电压的时域仿真波形图，图5中分图(a)、(b)分别对应固定关断时间控制和本发明，横轴均为时间(ms)，纵轴均为输出电压(V)。图5中，在相同的输出电容等效串联电阻情况下，采用本发明的开关变换器可以稳定工作，而采用固定关断时间控制的开关变换器工作不稳定。可见采用本发明的开关变换器提高了***的稳定性。

图6为固定关断时间控制和本发明的开关变换器在输出电容等效串联电阻为r=70mΩ时，电感电流的时域仿真波形图，图6中分图(a)、(b)分别对应固定关断时间控制和本发明，横轴均为时间(ms)，纵轴均为电感电流(A)。图6中，采用本发明的开关变换器工作稳定，且电感电流波动小。

图7为固定关断时间控制和本发明的开关变换器在相同稳定工作情况时输出电压的时域仿真波形图，图7中分图(a)、(b)分别对应固定关断时间控制和本发明，横轴均为时间(ms)，纵轴均为输出电压(V)。图7中，在相同稳定工作的情况下，采用固定关断时间控制的开关变换器的输出电压纹波大约为70mV，采用本发明的开关变换器的输出电压纹波大约为50mV。可见在保持开关变换器稳定工作的情况下，采用本方法可有效降低输出电压纹波。

本发明除了可用于控制上述实施例中的功率变换器外，也可用于Boost变换器、Buck-boost变换器、Cuk变换器、正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1.一种固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制装置，包括连接输入的开关装置（2）、连接开关装置（2）的滤波装置（3）、连接滤波装置（3）的电流采样电路（8）、连接输出的电压检测装置（5），其特征是：电压检测装置（5）和基准电压（6）分别连接误差放大器（7）的两个输入端，误差放大器（7）的输出端连接比较器（10）一个输入端，电流采样电路（8）经反相器（9）后连接比较器（10）另一个输入端，比较器（10）的输出端连接RS触发器（11）的一个输入端，RS触发器（11）另一个输入端与关断定时器（12）连接，RS触发器（11）的两个输出端分别连接关断定时器（12）和驱动电路（13），驱动电路（13）的输出端连接开关装置（2）。

2.一种如权利要求1所述固定关断时间控制开关变换器的斜坡补偿控制装置的控制方法，其特征是采用如下步骤：

步骤1：电压检测装置（5）将检测到的电压反馈到误差放大器（7），与基准电压（6）产生误差放大信号；

步骤2：电流采样电路（8）将采样到的电流信号反馈到反相器（9），反相后得到斜坡补偿电压进入比较器（10），与所述误差放大信号进行比较，经比较后，比较器（10）的输出用于触发RS触发器（11）；

步骤3：当所述误差放大信号大于所述斜坡补偿电压时，RS触发器（11）的一个输出经驱动电路（13）使开关装置（2）关断，同时，RS触发器（11）的另一个输出使关断定时器（12）开始工作；

步骤4：当关断恒定时间后，关断定时器（12）产生一个脉冲，使RS触发器（11）复位，RS触发器（11）的一个输出经驱动电路（13）使开关装置（2）导通，同时，RS触发器（11）的另一个输出使关断定时器（12）停止工作；

步骤5：当所述误差放大信号上升到斜坡补偿电压时，进入下一个脉冲控制周期。